수소 발생 이용한 산화물 반도체 전기전도도 조절 성공

[산업일보]
한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 금속산화물 반도체 표면에 흡착된 수분을 자외선으로 광분해해서 발생시킨 수소를 이용해 전기전도도를 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

금속산화물은 금속 원자에 산소가 결합해 형성된 물질로써 절연체와 반도체의 전기 전도 특성을 지니며, 저가로 넓은 면적 공정이 용이해서 디스플레이, 센서, 태양전지 등에 널리 활용된다.

아주대 서형탁 교수, 한양대 최덕균 교수 공동 연구팀은 전도도를 상온에서 획기적으로 향상시킨 상온 비정질 반도체의 투명 전극화 및 고성능 반도체화에 대한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 나노소재기술개발사업과 일반연구자지원사업을 통해 수행했으며, 연구결과는 나노과학분야의 권위 있는 학술지인 에이시에스나노(ACS Nano) 온라인판에 게재됐다.

연구진은 금속산화물(인듐 갈륨 아연 산화물)의 표면에 붙은 수분을 수소로 분해하기 위해 높은 에너지의 자외선을 쬐자, 자외선을 쬔 시간의 길이에 비례해 전기전도도가 높아짐을 확인했다.

고성능 전자현미경과 연동된 전자에너지 손실 분광기로 확인한 결과, 산화물 표면에 붙은 물 분자가 자외선에 의해 수소 라디컬이 되면서 퍼져나가 박막 내 원자들 사이의 틈 혹은 산소 원자가 빠져나간 자리에서 기존 원소들과 결합해 전자의 농도를 증가시키기 때문임을 밝혔다.

특히, 알카리 금속 불순물을 이용해 상온에서 금속산화물과 기판의 계면에 나노결정을 형성시킨 후 수소 도핑을 할 경우, 전기전도도는 나노결정이 없을 때보다 무려 1011 배 이상 증가했다. 본 특성은 디스플레이 소자 적용 시의 온도/빛 조건에서도 원래의 투명성을 유지하면서 영속적으로 유지됐다.

이번 연구를 통해 이론적으로만 예견됐던 수소 도핑에 의한 산화물 반도체의 전기전도도 조절에 대한 세계 최초로 신뢰성 있는 실험적 증명에 성공했다.

아울러, 간단한 공정으로 디스플레이 산업 등에 필요한 대면적의 고신뢰성 산화물 반도체 및 투명 전극을 제작할 수 있을 수 있을 뿐 아니라, 최신 분석 기법으로 정확한 수소 도핑 메커니즘을 최초로 규명해 투명전극기술에 적용 가능한 광화학적 도핑 장비 개발에 기여할 것으로 기대된다.